СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА ДЕТАЛИ ИЗ АЛЮМИНИЕВОЙ БРОНЗЫ Российский патент 2009 года по МПК B23K26/34 B23K26/32 B23K26/42 

Описание патента на изобретение RU2359797C2

Изобретение относится к технологии лазерной наплавки коррозионно-стойких материалов и может быть использовано в машиностроении при обработке рабочих поверхностей деталей из алюминиевых бронз, в том числе, деталей судовой арматуры.

В настоящее время в судовом машиностроении находят широкое применение для деталей судовой арматуры алюминиевые бронзы, обладающие высокой коррозионной стойкостью. Однако, при больших скоростях истечения морской воды, имеющих место в узлах затвора арматуры, наблюдается коррозионный и эрозионный износ, что приводит к преждевременному выходу из строя судовой арматуры.

При решении проблемы увеличения ее срока службы и восстановления, подвергнутых коррозионному и эрозионному разрушению деталей узла затвора арматуры, ведущую роль отводят внедрению высокоэффективных процессов нанесения металлопокрытий. Одним из таких процессов является лазерная наплавка, позволяющая обрабатывать труднодоступные места узла затвора арматуры через горловину. Наплавка уплотнительного поля арматуры другими методами затруднена ввиду малых размеров горловины.

В настоящее время известен ряд способов наплавки с помощью лазера: патент США №4299860, заявки Японии №57-38351, №57-109589 и другие. Одним из таких способов является «Способ образования поверхностного слоя», патент США №4015100, включающий предварительное нанесение на металлическую подложку покрытия, содержащего заданные легирующие элементы, последующее облучение поверхности сканирующим лучом лазера со скоростью 30-180 мм/с, при этом мощность лазерного луча, сфокусированного до диаметра 0,06-0,17 мм, составляла 1-20 кВт. Лазерным лучом осуществляли расплавление материала покрытия и материала подложки на заданную глубину и ширину в направлении развертки, осуществляли принудительное перемешивание наплавленного материала за счет переноса массы. После быстрого охлаждения расплавленных материалов образуется твердая поверхностная оболочка из сплава, в котором содержится значительное количество массы материала подложки и материала покрытия. Глубину расплавления выбирали в зависимости от количества легирующих элементов, времени пребывания этих элементов в расплавленном состоянии, а также от скорости охлаждения и условий теплопередач в поверхностном слое.

Указанный способ наплавки на алюминиевые бронзы коррозионно-стойкого порошка из медно-никелевого сплава с содержанием никеля более 10% неприменим из-за высоких термических напряжений, возникающих при сканировании сфокусированным лучом лазера, и быстрого охлаждения наплавленного металла, приводит к образованию сетки трещин.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и принятым нами за прототип является способ восстановления слоя металла на детали, включающий подачу металлического порошка с одновременным облучением обрабатываемой поверхности лучом лазера. При этом плотность мощности излучения энергии луча лазера устанавливают 104-106 Вт/см2, а время его воздействия на расплав с металлическим порошком - в пределах 0,005-2,0 с. Непрерывный поток порошка подают под давлением с помощью устройства, обеспечивающего вибрацию и охлаждение (Заявка ЕПВ (ЕР) №176942, класс В23К 26/00, 1986 г.).

Однако при лазерной наплавке способом прототипа не удалось получить бездефектной зоны сплавления материала основы - алюминиевых бронз и медно-никелевых или никелевых наплавочных материалов с содержанием никеля более 10%. Взаимодействие алюминия, содержащегося в бронзе, с никелем, содержащимся в наплавке, сопровождается образованием хрупких интерметаллидов типа Ni-Al, приводящих к появлению трещин в наплавленном слое. Кроме того, в интервале температур 200-600°С сплав Cu-Ni-Al подвергается старению, что также приводит его к охрупчиванию и появлению трещин.

Техническим результатом изобретения является разработка способа лазерной наплавки на алюминиевую бронзу медно-никелевых или никелевых материалов с содержанием никеля более 10%, обеспечивающего отсутствие трещин в наплавленном материале и зоне сплавления.

Технический результат достигается за счет того, что в способе лазерной наплавки медно-никелевых сплавов на детали из алюминиевой бронзы, включающем подачу металлического порошка медно-никелевого сплава и одновременную обработку поверхности детали лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 в течение 0,005-2,0 с, согласно изобретению, предварительно на поверхности детали из алюминиевой бронзы создают промежуточный слой глубиной не менее двух диаметров луча лазера путем обработки поверхности лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения относительно поверхности 0,2-10,0 мм/с, а наплавку медно-никелевого сплава осуществляют с глубиной проплавления промежуточного слоя не более 0,8 его толщины.

Исследованиями установлено, что в процессе обработки лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения луча лазера 0,2-10,0 мм/с относительно поверхности происходит образование промежуточного слоя, глубиной не менее двух диаметров луча лазера, за счет оплавления поверхностного слоя алюминиевой бронзы. В процессе обработки поверхности лучом лазера происходит образование плазмы, которая способствует испарению легкоплавких элементов, что приводит к снижению содержания алюминия в 1,5-2,0 раза. Обеднение поверхностного слоя бронзы алюминием до 5% повышает его пластические свойства вследствие уменьшения количества интерметаллидов типа Ni-Al. Повышение пластичности поверхностного слоя алюминиевой бронзы после ее обработки исключает возможность образования трещин в наплавленном материале и в зоне сплавления. Установлено, что обработка поверхности алюминиевой бронзы лучом лазера для создания промежуточного слоя должна проводиться с плотностью мощности излучения в пределах от 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения луча лазера в пределах 0,2-10 мм/с.

При скорости перемещения луча относительно поверхности лазера больше чем 10,0 мм/с, и плотности мощности излучения больше чем 106 Вт/см2, образуется большое количество пор из-за интенсивного кипения металла в расплаве.

При скорости перемещения луча относительно поверхности лазера меньше чем 0,2 мм/с, и плотности мощности излучения меньше чем 104 Вт/см2, оплавленный слой обладает повышенной хрупкостью вследствие того, что в нем сохранились в больших количествах интерметаллиды типа Ni-Al, a при охлаждении образовывалась мартенситная структура, что приводило к появлению трещин.

Предлагаемый способ выполняют следующим образом: вначале на поверхности алюминиевой бронзы создают промежуточный слой путем обработки ее лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения его относительно поверхности 0,2-10 мм/с глубиной не менее двух его диаметров, а при наплавке подают металлический порошок и одновременно обрабатывают поверхность лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 в течение 0,005-2,0 секунд на глубину проплавления не более 0,8 глубины промежуточного слоя.

Пример конкретного выполнения.

Литые заготовки диаметром 70 мм и длиной 800 мм из алюминиевой бронзы марки БрАЖН944, содержащей в мас.%: алюминий 9,4; железо 4,1; никель 3,8 и остальное медь, были разрезаны на образцы-имитаторы деталей затворной арматуры и их обрабатываемая поверхность чернилась сажей. Обработка лазером проводилась на лазерной технологической установке ЛТ-1-2, представляющей собой быстропроточный лазер непрерывного действия с поперечной накачкой. Выходная мощность излучения лазера контролировалась измерителем мощности МЗ-48 калориметрического типа. Мощность излучения лазера составляла от 0,5 до 4,0 кВт.

Технологический блок обеспечивал перемещение поверхности имитатора деталей относительно оси луча в диапазоне скоростей от 0,0001 до 1,0 м/с и плотность мощности излучения в пределах от 102 до 107 Вт/см2.

Предварительную обработку поверхности алюминиевой бронзы проводили лучом лазера с плотностью мощности излучения 104 Вт/см2 и 106 Вт/см2 и скоростью перемещения 0,2 и 10 мм/с соответственно и диаметром луча лазера 0,5 и 2 мм. В процессе предварительной обработки был получен промежуточный слой глубиной 1,0 и 4,0 мм соответственно.

Затем путем вторичной обработки лучом лазера с плотностью мощности излучения 104 и 106 Вт/см2 и временем воздействия 2,0 и 0,005 с соответственно одновременно осуществлялась подача порошка наплавляемого материала под давлением из дозирующего устройства на поверхность алюминиевой бронзы. При этом глубину проплавления металла на поверхности алюминиевой бронзы от воздействия луча лазера диаметром 0,5 и 2 мм в процессе наплавки выдерживали в пределах 0,8 и 3,6 мм соответственно, что не превышало 0,8 глубины промежуточного слоя, полученного ранее.

В качестве порошка наплавки использовался порошок медно-никелевого сплава, содержащего в мас.%: 40,2 никеля и 58,8 меди.

Три образца-имитатора были наплавлены по способу прототипу и шесть - по предлагаемому способу. Контроль сплошности наплавленного слоя проводили цветным капиллярным методом. Наличие трещин в материале наплавки определяли методом цветной дефектоскопии. Вначале контролю подвергали поверхностный слой наплавленного материала, а затем - каждый последующий слой, после сошлифовывания предыдущего, прошедшего контроль, и так до основного металла образца. Результаты контроля приведены в таблице.

В наплавке, нанесенной по способу прототипа, наблюдались дефекты типа сетки трещин. В покрытии, нанесенном по предлагаемому способу, трещины отсутствовали.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения выразится по сравнению с прототипом в увеличении надежности и срока службы деталей узла запорной арматуры из алюминиевых бронз с лазерной наплавкой коррозионно-стойких покрытий, а также в возможности восстановления подвергнутых коррозионному и эрозионному разрушению деталей в труднодоступных местах.

Похожие патенты RU2359797C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НАПЛАВКИ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА 2005
  • Баранов Александр Владимирович
  • Попов Валерий Олегович
  • Розовская Лидия Петровна
  • Попова Ирина Павловна
RU2297310C2
СПОСОБ ТРЕХСТАДИЙНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ 2020
  • Бирюков Владимир Павлович
  • Принц Антон Николаевич
  • Савин Александр Петрович
  • Гудушаури Элгуджа Георгиевич
RU2736126C1
Способ дуговой наплавки медно-никелевого сплава с содержанием никеля от 40 до 50% на алюминиево-никелевые бронзы 2015
  • Пичужкин Сергей Александрович
  • Чернобаев Сергей Петрович
  • Вайнерман Александр Абрамович
  • Вайнерман Абрам Ефимович
  • Веретенников Михаил Михайлович
RU2610656C2
ГРАДИЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА BT1-0 С НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ 316L МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ 2022
  • Гущина Марина Олеговна
  • Сомонов Владислав Валерьевич
  • Климова-Корсмик Ольга Геннадьевна
  • Вильданов Артур Маратович
  • Туричин Глеб Андреевич
RU2800900C1
Способ восстановления хорды профиля пера лопатки из жаропрочного никелевого сплава 2022
  • Фурсенко Евгений Николаевич
  • Иванов Артем Михайлович
  • Котельников Альберт Викторович
  • Старков Дмитрий Александрович
RU2791745C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ 2015
  • Гнюсов Сергей Федорович
  • Дураков Василий Григорьевич
  • Зыков Илья Юрьевич
  • Исакин Илья Александрович
  • Хайдарова Анна Александровна
RU2637437C2
СПОСОБ НАПЛАВКИ 1990
  • Вайнерман А.Е.
  • Карпов В.В.
  • Бурочкина И.М.
SU1769464A1
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СВАРКА НАПРАВЛЕННО УПРОЧНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2010
  • Бурбаум Бернд
  • Гассер Андрес
  • Ямбор Торстен
  • Линненбринк Штефани
  • Пирх Норберт
  • Аржакин Николай
  • Бостанйогло Георг
  • Мельцер-Йокиш Торстен
  • Мокадем Селим
  • Отт Михаэль
  • Вилькенхенер Рольф
RU2509639C2
СПОСОБ НАПЛАВКИ КОРРОЗИОННО-ЭРОЗИОННОГО ПОРОШКА ПРИСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА СТАЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ДЕТАЛИ 2010
  • Шастин Владимир Иванович
  • Елисеев Сергей Викторович
  • Сливинская Людмила Павловна
  • Коронатова Ирина Петровна
  • Сигачев Николай Петрович
RU2478028C2
Способ лазерной газопорошковой наплавки защитных покрытий 2020
  • Гоц Александр Николаевич
  • Гусев Дмитрий Сергеевич
  • Завитков Алексей Викторович
  • Кочуев Дмитрий Андреевич
  • Люхтер Александр Борисович
  • Родионов Дмитрий Викторович
RU2759102C1

Реферат патента 2009 года СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА ДЕТАЛИ ИЗ АЛЮМИНИЕВОЙ БРОНЗЫ

Изобретение относится к технологии лазерной наплавки коррозионностойких покрытий и может быть использовано в машиностроении при обработке рабочих поверхностей деталей из алюминиевых бронз в том числе деталей судовой арматуры. Способ включает подачу металлического порошка и одновременную обработку поверхности лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 в течение 0,0005-2,0 с. Предварительно на поверхности детали создают промежуточный слой глубиной не менее двух диаметров луча лазера путем обработки поверхности лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения 0,2-10,0 мм/с. В процессе наплавки глубину проплавления металла выдерживают в пределах не более 0,8 глубины промежуточного слоя. Технический результат заключается в обеспечении отсутствия трещин в наплавленном материале и зоне сплавления при лазерной наплавке на алюминиевую бронзу медно-никелевых сплавов с содержанием никеля более 10%. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 359 797 C2

Способ лазерной наплавки медно-никелевых сплавов на детали из алюминиевой бронзы, включающий подачу металлического порошка медно-никелевого сплава и одновременную обработку поверхности детали из алюминиевой бронзы лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 в течение 0,005-2,0 с, отличающийся тем, что предварительно на поверхности детали из алюминиевой бронзы создают промежуточный слой глубиной не менее двух диаметров луча лазера путем обработки поверхности лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 и скоростью перемещения относительно поверхности 0,2-10,0 мм/с, а наплавку медно-никелевого сплава осуществляют с глубиной проплавления промежуточного слоя не более 0,8 его толщины.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2359797C2

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛБСОВ 0
SU176942A1
SU 1822047 A1, 10.09.1996
СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЕЕК ОСЕЙ ВАГОННЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР ПУТЕМ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ 1996
  • Глазков Владимир Сергеевич
  • Козубенко Иван Дмитриевич
  • Радионов Юрий Сергеевич
  • Корчагин Александр Петрович
  • Взяткин Геннадий Алексеевич
  • Бызова Нина Егоровна
  • Рассоха Анатолий Иванович
RU2107598C1
Способ лазерного легирования и наплавки 1990
  • Горный Сергей Георгиевич
  • Казаков Александр Анатольевич
  • Лопота Виталий Александрович
  • Смирнов Николай Владимирович
  • Строфилов Юрий Александрович
  • Чекмезов Александр Петрович
SU1743770A1
JP 2004107109 A, 09.04.1986
US 2002166846 A, 14.11.2002.

RU 2 359 797 C2

Авторы

Пронин-Валсамаки Михаил Михайлович

Вайнерман Абрам Ефимович

Попов Валерий Олегович

Даты

2009-06-27Публикация

2007-06-27Подача